Mikroklassifizierte
Cellulose (MDC) wird aus fasrigem Cellulosematerial hergestellt,
das extensiv homogenisiert wurde und in einen dispersen tertiären Strukturgrad überführt wurde,
wodurch man bestimmte wünschenswerte
Eigenschaften erhält,
die mit einer derartigen Strukturänderung einhergehen.
Eine
umfangreiche Einleitung in das Gebiet wird in
DE 195 00 249 A derselben
Erfinder gegeben.
MDC
wird durch wiederholtes Durchschicken einer flüssigen Suspension von fasriger
Cellulose durch eine Zone hoher Scherkraft hergestellt, welche durch
zwei gegenüberliegende
Flächen
gebildet wird, wobei eine der Flächen
relativ zur anderen rotiert, und zwar unter Bedingungen und für einen
ausreichenden Zeitraum, um die Suspension im Wesentlichen zu stabilisieren
und der Suspension einen Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards
zu verleihen, der eine beständige
Zunahme bei wiederholtem Durchtritt der Cellulosesuspension durch
die Zone hoher Scherkraft zeigt.
Die
Herstellung der MDC kann unter Verwendung einer Standardhomogenisierausstattung,
zum Beispiel einem Doppelscheiben-Refinermahlwerk erfolgen, wobei
das Gerät
verschieden zur üblichen
Verwendung dieser Ausstattung bei der Homogenisierung von Pulpe
zur Papierherstellung betrieben wird. Während in der Papierherstellung
ein minimaler Schaden an der Faser während des Homogenisierens und
ein Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards mit gutem Wasserentzug
aus der Pulpe gewünscht
wird, wird die gleiche Ausrüstung
bei der Herstellung von MDC zur Erreichung des gegenteiligen Effektes
eingesetzt, d.h. ein hoher Zerkleinerungsgrad der Faserstruktur,
was zu einem Celluloseprodukt führt,
das eine sehr große
Oberfläche und
hohe Wasserabsorptionsfähigkeit
aufweist. Der Zerkleinerungsgrad ist ausreichend intensiv, so daß im Falle
der Homogenisierung über
den Wert hinaus, der normalerweise für die Papierherstellung verwendet
wird (ein Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards der sich 100
annähert),
eine Umkehr der Mahlgradwerte eintritt. Der Grund für diese
Umkehr liegt darin, daß die
dispergierte Faser ausreichend mikroklassifiziert wird, so daß allmählich immer
größere Anteile
der Faser durch die perforierte Platte des kanadischen Mahlgrad-Prüfers mit
Wasser durchgehen, wodurch eine beständige Zunahme im gemessenen
Wert bei Fortführung
der Homogenisierung erfolgt. Die Fortführung der Homogenisierung führt letztendlich
dazu, daß im
wesentlichen die gesamte homogenisierte Faser leicht durch die perforierte
Platte mit Wasser tritt. Auf dieser Stufe dieser Verarbeitung ist
der gemessene Mahlgrad typisch für
jenen, der dem ungehinderten Durchtritt von Wasser durch die perforierte
Platte des Testgerätes
entspricht.
Während in
der üblichen
Homogenisierung in der Papierherstellung ein einziger Schritt, höchstens zwei
Schritte verwendet werden, erfordert das erfindungsgemäße Verfahren
mehrfache Durchtritte der Pulpe durch die Zone hoher Scherkraft,
welches typischerweise 10 bis 40 Passagen beinhalten kann.
In
der Papierherstellung erhöht
das Zerschlagen oder die Homogenisierung die Kontaktfläche zwischen
dispergierten Fasern durch Erhöhung
der Oberfläche
durch Dispersion und Zerfaserung. Die Herstellung von MDC verwendet
und dehnt derartige Verfahren zu einem weitaus größeren Ausmaß aus. Man
nimmt an, daß das
Ausmaß der
Homogenisierung, das erforderlich ist, um diesen hohen Grad an Zerfaserung
zu erreichen, zu einer gleichzeitigen Zerstörung der Tertiärstruktur
und möglicherweise
ebenfalls der Sekundärstruktur
führt.
Das Ergebnis ist eine Cellulose, die in ultrastrukturartiger Form
dispergiert vorliegt mit einer sehr hohen Oberfläche.
Das
erfindungsgemäße Produkt,
MDC, ist gekennzeichnet durch ein Absetzvolumen von mehr als etwa
50% nach 24 h, bezogen auf eine 1 Gew.-%ige wäßrige Suspension und durch
einen Wasserretentionswert von mehr als etwa 500%. Verfahren zur
Bestimmung des Absetzvolumens und der Wasserretentionswerte von
MDC werden anschließend
im Detail beschrieben. Nähere
Details betreffend die Herstellung von mikroklassifizierter Cellulose
(MDC) werden in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Nr.
5,385,640, mit dem Titel „Verfahren
zur Herstellung von mikroklassifizierter Cellulose" von Michael K. Weibel
und Richard S. Paul, die beiden gemeinsam gehört und gleichzeitig mit der
vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde, beschrieben. Die gesamte
Offenbarung der vorgenannten und damit zusammenhängenden Anmeldung wird in die
vorliegende Beschreibung vollständig
aufgenommen. Aufgrund des Ausmaßes
bis zu welchem MDC homogensiert wird, besitzt MDC eine feinstfaserige
Struktur, die zu einer sehr hohen Oberfläche und zur Fähigkeit
zur Bildung von stabilen Gelen führt.
Viele der denkbaren Verwendungen von MDC in Nahrungsmitteln, Arzneimittel,
Kosmetika und dergleichen werden am besten dadurch erreicht, daß MDC als
Trockenprodukt angeboten wird, das leicht rehydriert und redispergiert
werden kann, wodurch es Eigenschaften zeigt, die denen von niemals
getrocknetem MDC annähernd
vergleichbar sind, d.h. MDC wie es vom Homogenisator entnommen wird
oder vor Trocknung. Nachteiligerweise wird diese bevorzugte Struktur
und die die damit verbundenen wünschenswerten
Eigenschaften weitestgehend beim Trocknen des Materials zerstört. Dies
tritt als Ergebnis eines teilweisen irreversiblen Zusammenbruchs
der Struktur der Cellulosefasern aufgrund der Schrumpfungskräfte, die
während
der Trocknung auftreten (Verhornung) ein. Die bevorzugte Dispergierbarkeit,
Hydratisierbarkeit und Viskositätseigenschaften
von MDC gehen verloren oder werden wesentlich verändert in
Abhängigkeit
der Strenge der Trocknung.
Eine
Anzahl von Techniken wurden bis heute entwickelt, um die nachteiligen
Effekte bei der Trocknung von Cellulose im wesentlichen zu vermindern.
Unter anderem enthalten diese die Verwendung von Additiven, Verdrängung von
Wasser durch Lösungsmittel
und modifizierte Trocknungstechniken. Die letzteren zwei genannten Ansätze werden
im US-Patent Nr. 3,023,104 beschrieben. Wasser kann durch eine wassermischbare organische
Verbindung von niedrigem Molekulargewicht wie Methanol, Ethanol,
Propanol, gefolgt von einer Verdampfung der Verdrängungsflüssigkeit
ersetzt werden. Modifizierte Trocknungsverfahren umfassen Sprühtrocknung
im Vakuum oder Luft bis zu 100 bis 105°C, Gefriertrocknung und Trommeltrocknung.
Der
Zweck der meisten Additive besteht darin, den Trocknungsstreß oder die
Verhornung durch Verhinderung von Wasserstoffbindungen an den Cellulosefasern
zu unterbinden. Wie im US-Patent Nr. 4,481,076 beschrieben wird,
bildet das Additiv Wasserstoffbindungen oder Komplexe mit den Cellulosefibrillen
und verhindert, daß diese
während
des Trockungsprozesses aneinander binden; daher bleiben die Cellulosefibrillen leicht
für Wasser
aufnahmefähig
und leicht rehydrierbar. Um diese Funktion auszuführen, muß das Additiv
in der Lage sein, die Wasserstoffbindung zwischen den Fibrillen
der Cellulose im wesentlichen zu unterbinden. Unter den Verbindungen,
die als brauchbare Additive aufgefunden wurden, sind Polyhydroxyverbindungen, insbesondere
Kohlenhydrate oder kohlenhydratähnliche
Verbindungen zu nennen. Diese Additive müssen in erheblichen Mengen
im allgemeinen mindestens zur Hälfte
in Bezug auf das Trockengewicht der mikrogefibrillierten Cellulose
und vorzugsweise mindestens die gleiche Menge in Bezug auf das Gewicht
an mikrofibrillierter Cellulose eingesetzt werden, um den gewünschten
Effekt zu erzielen.
Es
ist Aufgabe der Erfindung, getrocknete mikroklassifizierte Cellulose
zur Verfügung
zu stellen, die leicht in Wasser redispergiert werden kann und nach
der Redispersion Eigenschaften zeigt, die im wesentlichen jenen
von nicht durch getrockneter mikroklassifizierter Cellulose vergleichbar
sind.
Das
vorstehende Ziel der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Mikroklassifizierung
von Cellulose in flüssiger
Suspension, Trocknen der Suspension von mikroklassifizierter Cellulose
in Gegenwart mindestens eines Dispergiermittels verwirklicht, wobei
man annimmt, daß das
Dispergiermittel in der Weise wirksam ist, daß es die Bindung zwischen den
Cellulosefibrillen mindert oder verhindert. Das erhaltene Produkt
ist eine Zusammensetzung, die die trockene mikroklassifizierte Cellulose
und das Dispergiermittel in einer Menge enthält, die der Cellulose eine
Viskosität
verleiht, daß nach
Redispersion in Wasser mindestens 50% der Viskosität aufweist,
welche jener äquivalent
ist, welche der Konzentration an nicht durchgetrockneter mikroklassifizierter Cellulose
entspricht.
Das
Ausgangsmaterial zur Herstellung von MDC wird üblicherweise durch Zerschlagen
von blattartigem Cellulosematerial in einem Hydromahlholländer in
Anwesenheit einer geeigneten Flüssigkeit,
welches das Blattmaterial abbaut und die Fasern gleichmäßig in der
Flüssigkeit
dispergiert, hergestellt.
Die
exakte Homogenisierungszeit, die erforderlich ist, um MDC zu produzieren,
hängt von
den Eigenschaften des Ausgangsmaterials, z.B. der Faserlänge, der
Homogenisierungstemperatur und der Feststoffkonzentration in der
Pulpe ab. Die Verarbeitungsdauer wird ebenfalls durch die Parameter
der Scherkraftzone, in der die Cellulosesuspension verarbeitet wird,
beeinflußt.
Im Falle eines Doppelscheiben-Refinermahlwerkes beinhalten
diese Parameter die Höhe
des Gegendrucks der auf die Cellulosesuspension ausgeübt wird,
wenn sie einem Scherkraftstreß während der
Homogenisierung unterworfen wird, der Homogenisierplattenoberflächenausgestaltung,
dem Raum zwischen den sich gegenüberstehenden
Homogenisierplatten, dem Homogenisierplattendurchmesser und der
peripheren Scheibenendgeschwindigkeit. Die Wirksamkeit wird durch
Betrieb bei hoher Pulpenfeststoffkonzentration, erhöhtem Gegendruck
auf die Pulpe während
der Homogenisierung, erhöhter
Pulpentemperaturen verbunden mit Kontrolle der maximalen Temperatur,
Einstellung des Spaltes zwischen den gegenüberliegenden Homogenisierplatten
durch Einstellen eines vorgewählten
Wertes der Stromstärke
des Homogenisiermotors und einer Homogenisierscheibenkonfiguration
und einer peripheren Geschwindigkeit, die ein Reihen oder Zerfasern
mehr als ein Schneiden begünstigt.
Obwohl die Homogenisierung am effektivsten abläuft, wenn die Feststoffkonzentration
in der Pulpe erhöht
wird, besteht dennoch eine Grenze hinsichtlich wie hoch die Feststoffkonzentration
sein kann und noch ein Pulpenfluß durch das System stattfindet.
Ein kurzfasriges Material wie Hafer kann fast auf das zweifache
der Feststoffkonzentration konzentriert werden, die mit Nadelholz
und Weizen, beide langfasrige Materialien, möglich ist.
Bevorzugte
Betriebsbedingungen zur Herstellung von MDC in einem Zweischeibenhomogenisator sind
wie folgt: Faserlänge
etwa 50 bis 3.000 μm
oder größer; Homogenisiertemperatur
etwa 15,6°C
(60°F) bis etwa
93,3°C (200°F); Feststoffkonzentration
etwa 2 bis etwa 10 Gew.-% in der Cellulosesuspension und Gegendruck
etwa 0,69 bar (10) bis etwa 2,76 bar (40 psi).
Die
verbleibenden Parameter einschließlich Scheibenkonfigurationen,
Abstand zwischen benachbarten Scheiben, Scheibendurchmesser und
periphere Scheibengeschwindigkeit hängen vom besonderen Modell
des Homogenisators ab, das zur Herstellung von MDC ausgewählt wurde.
Ein typischer Ablauf unter Verwendung eines Black Clawson 28-Inch
Twin Hydradisc Homogenisators ist anschließend exemplarisch dargestellt.
Der
wichtigste Indikator, der zur Überwachung
des Ausmaßes
der Homogenisierung des Cellulosematerials verwendet wird, ist der
Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards, wie er unter Verwendung
einer Testeinrichtung und Verfahren beschrieben in TAPPI 227 „Freeness
of Pulp" J. Casey,
Pulp and Paper (1980). Es wurde gezeigt, daß der Mahlgrad mit den Oberflächenbedingungen
und dem Schwellvermögen
der Faser, das die Trocknung beeinflußt, zusammenhängt. Wenn
die Homogenisierung über
die normalerweise in der üblichen
Papierindustrie benutzten Grenzen fortgeführt wird, werden die Ausmaße der erhaltenen
Strukturen ausreichend klein, so daß eine Umkehr der Mahlgradwerte
eintritt, d.h. eher zunehmende als abnehmende Mahlgradwerte bei
fortgesetzter Homogenisierung. Dieser anormale Anstieg des Mahlgrades
wird in dieser Beschreibung als „falscher Mahlgrad" bezeichnet. Wenn
die Umkehr eintritt und die Homogensierung anschließend fortgeführt wird,
steigt der gemessene Mahlgradwert, bis ein maximaler Wert von etwa
800 erreicht ist. An diesem Punkt ist das homogenisierte Material
ausreichend geschmeidig und fein (dimensionsmäßig klein), so dass es leicht
durch die Perforationen der perforierten Scheibe des Testers zusammen
mit Wasser durchtritt. Mit anderen Worten, die Suspension verhält sich
als wenn sie faserfreies Wasser des gleichen Gesamtvolumens wie
die faserhaltige gemessene Probe wäre. Dies ist die begrenzende
Bedingung zum Erhalt von brauchbaren Daten aus den Mahlgradmessungen.
Wenn die Cellulosesuspension diesen gewünschten Mahlgradwert erreicht
hat, wird sie im wesentlichen stabil, wobei darunter verstanden
werden soll, dass keine sichtbare Absetzung der kontinuierlichen
Phase von der dispersen Phase, auch wenn sie für eine nicht unerhebliche Zeit
steht, eintritt.
Verschiedene
andere Parameter oder Eigenschaften zusätzlich zum kanadischen Standardmahlgrad dienen
zur Charakterisierung von MDC.
Ein
Parameter, der bei der Charakterisierung und Beschreibung von MDC
brauchbar ist, ist das Absetzvolumen von wässrigen Dispersionen oder unterschiedlichen
Feststoffgehalten nach 24 h Absetzzeit. Das Absetzvolumen einer
Probe von MDC wird bestimmt durch Dispergieren einer bekannten Menge
Cellulose (Trockengewichtsbasis) in einer bekannten Menge Wasser,
z.B. in einem Messzylinder. Nach einer vorgeschriebenen Absetzzeit
wird das Volumen des Bettes der suspendierten Cellulose unter Bezugnahme
auf das Gesamtvolumen der kontinuierlichen wässrigen Phase gemessen. Das
abgesetzte Volumen wird in Prozenten des Bettvolumens zum Gesamtvolumen
angegeben. Aus diesen Daten kann die Feststoffkonzentration in einer
wässrigen
Dispersion bestimmt werden, welche zu einem Absetzvolumen führt, welches
50% des Originalvolumens ausmacht und zur Charakterisierung des
Produktes verwendet werden. Eine Charakteristik von MDC ist, dass
eine 1 Gew.-%-ige wässrige
Suspension ein Absetzvolumen von größer als 50% nach 24 h aufweist.
Die
Wasserretention ist ein weiterer Parameter zur Charakterisierung
von MDC. Wasserretentionswerte werden durch Anwendung eines Druckfiltrationsapparates
(Baroid® Modell
301) routinemäßig zur
Evaluierung von Bohrflüssigkeitseigenschaften
verwendet. Ein 100 g Aliquot einer Nominal 4 bis 8% (Gew./Gew.) wäßrigen Dispersion
von Cellulose wird in eine Filterzellkammer eingebracht, die Zellkammer
wird verschlossen und einem Druck von 2,07 bar über Atmosphärendruck (30 psig) von einer
eingestellten Stickstoffquelle ausgesetzt. Das aus der Filtrationszellkammer
ausgetriebene Wasser wird gesammelt und die Druckbeaufschlagung
für 30
sek nach dem ersten Gasaustritt fortgesetzt. Die Stickstoffquelle
wird anschließend
abgeschaltet und das Aufsammeln des ausgetriebenen Wassers für 1 min
fortgesetzt oder bis der Gasaustritt aufhört, je nach dem was zuerst
eintritt. Grundsätzlich
benutzt diese Technik pneumatische Druckfiltration, um interstitielles
Wasser aus der Partikelphase zu entfernen.
Das
gemessene Wasservolumen wird zusammen mit dem Gewicht des nassen
Kuchens festgehalten. Anschließend
wird der nasse Kuchen für
16 h bis 95°C
oder bis ein konstantes Gewicht festgestellt wird, getrocknet. Der
Wasserretentionswert wird berechnet als das Verhältnis von (Nasskuchengewicht
minus Trockenkuchengewicht) zu (Trockenkuchengewicht) mal 100. Dieses
Verfahren ergibt eine gute Abschätzung
der kapillaren und absorptiven Wasserretention der Cellulosefeststoffe
durch Entfernung des interstitiellen Wassers aus den Kuchenfeststoffen.
Das Verfahren ist schnell (5 bis 10 min) und höchst reproduzierbar. Der Wasserretentionswert
von MDC liegt charakteristischerweise bei mindestens 350% und vorzugsweise
bei mindestens bei 500%.
Die
Viskosität
kann ebenfalls als MDC charakterisierende Eigenschaft verwendet
werden. Die offensichtlichen Viskositäten einer wäßrigen Dispersion von 1,5%
(Gew./Gew.) MDC-Feststoffproben
wurden in einem Viscometer unter Verwendung der Spindel SC4-16 mit
einem kleinen Zelladapter bei einer Anzahl von Scherbedingungen
(5 bis 100 UPM) bestimmt. Die Proben wurden durch Hochgeschwindigkeitsmischung
für 3 min
bei 10.000 UPM mit einem Rotorstatormixer vordispergiert. Die für das endgültige homogenisierte
Produkt (MDC) an drei Beispielen gemessenen Viskositäten sind
in Tabelle 1 gezeigt. Das Nadelholzfaserprodukt zeigte eine Viskosität von etwa
8000 Centipoise (8.000 mPa·s)
bei einer Spindelgeschwindigkeit von 100 UPM. Das weiße Weizenfaserprodukt
hatte eine Viskosität
von etwa 6000 und die Haferfaser eine Viskosität von etwa 1.300 unter den
gleichen Messbedingungen wie für
die Nadelholzfaser. Es scheint, dass der weite Bereich an gemessenen
Viskositäten
im Wesentlichen auf den Unterschieden in der Fibrillenlänge und
anderen ultrastrukturellen Charakteristiken des Ausgangsmaterials
beruht.
Es
darf darauf hingewiesen werden, dass die vorstehenden Viskositätsmessungen
der MDC-Dispersionen
an einer heterogenen Mischung (miteinander reagierendes Teilchengemisch
suspendiert in einem flüssigen
Medium) gemacht wurden. Viskositätsmessungen
werden normalerweise in homogenen Systemen vorgenommen. Aufgrund
der heterogenen Natur der Mischung tritt ein bestimmter Grad an
mechanischer Verzerrung um die rotierende Spindel ein, welche zur
Bestimmung der Scherkräfte
innerhalb der Mischung verwendet wird. Daraus ergibt sich, dass
die Scher/Scherstressmessungen zeit- und verlaufsabhängig sind.
Als solches stellt die Messung keine tatsächliche Viskosität im herkömmlichen
Sinne dar, sondern ist eine reproduzierbare Messung, die als brauchbar
zur Charakterisierung des Grades an Mikroklassifikation und zur
Beschreibung der Realisierung dieser Erfindung gefunden wurde.
Es
wurden zwei Substanzen gefunden, die einen synergistischen Effekt
ergeben, wenn sie in Kombination als Dispergiermittel bei Durchführung der
Erfindung verwendet werden. Diese Substanzen sind Maltodextrin und
Carboxymethylcellulose (CMC), die lediglich in moderaten Mengen
relativ zum Gewicht von MDC zugegeben werden müssen. Die bevorzugte Menge
von Maltodextrin beträgt
etwa 1/2 zu 1 und 1/2 des Gewichtes von MDC, während die bevorzugte Menge
von CMC etwa 5% bis etwa 15% des Gewichtes von MDC beträgt.
Maltodextrine
sind kurzkettige Oligiosaccharide, reduziert durch die kontrollierte
Hydrolyse von Stärke. Der
Polymerisationsgrad (PG) der Maltodextrine ist typischerweise geringer
als 30 und höher
als 5. Kommerzielle Maltodextrine sind exzellente Filmbildner und
ergeben wässrige
Lösungen
niedriger Viskosität
bei relativ hohen Feststoffkonzentrationen, typischerweise 10 bis
30%. Sie sind leicht in Nahrungsmittelqualität zu akzeptablen Kosten erhältlich.
Als
CMC wird das Natrium-Salz des Glykolsäureethers der Cellulose bezeichnet,
das durch Umsetzung von Alkalicellulose mit Chloressigsäure hergestellt
wird. Es ist ebenfalls für
Lebensmittel zugelassen und leicht zu relativ niedrigen Kosten erhältlich.
CMC wird schon lange als Dispergiermittel für Celluloseaufschlämmungen
in der Pulp- und Papierindustrie verwendet. Es wird als Trocknungsadditiv
für die
Redispergierung von mikrokristalliner Cellulose und in der Trocknung
von anderen homogenisierten Celluloseprodukten mit hoher Oberfläche verwendet.
Es wird angenommen, dass CMC (und andere statistisch-substituierte
Celluloseether) Bereiche niedriger bis null Substitution besitzt,
die eine relativ hohe Affinität
für bestimmte
Oberflächenausrichtungen
ihrer teilchenförmigen
Gegenstücke
aufweisen, wobei die unsubstituierte Beta-Glucankettengruppierung
die homogenisierte Cellulose ausmacht. Im Fall von CMC, bei der
jeder Carboxymethylsubstituent eine stationäre negative Ladung bei einem
pH größer als
3,5 trägt,
würde die
Bindung des substituierten Oligiosaccharids an eine Celluloseoberfläche eine
wesentliche stationäre
Ladung und ein negatives Zetapotential übertragen. Obwohl nicht beabsichtigt
ist, durch einen bestimmten Mechanismus gebunden zu sein, wird angenommen,
dass ein derartiges Oberflächenpotential
dazu tendiert, den Zusammenbruch der Struktur bei Trocknung zu verzögern und
die Wasserstoffbindung zwischen den Teilchen zu stören und
ebenso die Dispergierbarkeit der Teilchenstruktur in einer kontinuierlichen
polaren Phase wie Wasser zu erhöhen.
Obwohl
der Mechanismus, durch welchen Maltodextrin und CMC synergistisch
wirken, um die Fibrillen von einer festen Bindung aneinander während der
Trocknung fernzuhalten, noch vollständig aufgeklärt werden muss,
wird angenommen, dass eine kooperative Wechselwirkung der Art wie
zwischen zwei Substanzen involviert ist. Es wird angenommen, dass
Maltodextrin eine glasähnliche
Matrix ergibt, die die Cellulosefasern umhüllt, während das CMC offensichtlich
an die Faseroberflächen
ausreichend bindet, um den Zusammenbruch zu einem Punkt zu verzögern, dass
genug Wasser zur Verfestigung der eingeschlossenen Matrix entfernt
wird. Die zwei Substanzen sind in Kombination sehr wirksam bei der
Verhinderung des irreversiblen Zusammenbruches von MDC während der
Trocknung, wodurch eine rasche Entwässerung und Dispergierung ermöglicht wird
und zu einem wesentlichen Ausmaß die
erwünschten
Eigenschaften, die nicht durch getrocknetes MDC aufweist, behalten
werden.
Das
Dispergiermittel kann gegebenenfalls Lecithin in einer Menge von
0,1% bis etwa 10%, bezogen auf das Gewicht von MDC enthalten. Die
anschließenden
Beispiele beschreiben genauer die Herstellung von MDC gemäß der vorliegenden
Erfindung. Diese Beispiele sind zur Erläuterung der Erfindung und nicht
zu deren Begrenzung gedacht.
BEISPIEL 1
Nicht
durchgetrocknete weiße
Weizenfaser wurde mit 8.295,15 1 (2.190 Gallonen) Wasser in einem Hydromahlholländer (Black
Clawson® Modell
4-SD-4 mit einer Antriebsmaschine Nr. 45) homogenisiert um eine
Pulpe mit 4,5% (Gew./Gew.) Feststoff herzustellen. Die weiße Weizenfaser,
die in diesem Beispiel verwendet wird, ist ein kommerziell erhältliches
gemahlenes Faserprodukt, das von gebleichtem Weizenhäcksel stammt.
Das weiße
Weizenprodukt wurde als ein nominell 40% Gew./Gew. nicht flüchtige Feststoffenfasermatte
erhalten. Das Produkt wurde als 98% Nahrungsmittelfaser gemäß dem Prosky-Verfahren
charakterisiert. Mikroskopische Untersuchung zeigte, dass die Teilchengröße eine
weitestgehend heterogene Population von dünnen Nadel-ähnlichen Sclerenchymzellen,
die in ihren größten/kleinsten
Dimensionen 500 bis 10.000/10 bis 20 μm mit einigen dazwischen gestreuten
Parenchymzellen von 200/50 μm
bestand.
Nach
Zerschlagen der Pulpe für
20 min bei Raumtemperatur wurde sie in einen wasserummantelten Zwischentank überführt, um
wiederholt durch einen Black Clawson® Doppelscheiben-Refinermahlwerk
durchgeschickt zu werden. Der Homogenisator in diesem Beispiel ist
eine Doppelscheibeneinheit mit 0,711 m (28 Zoll) Durchmesser, die
durch einen Motor mit 250 PS angetrieben ist. Die auf den Scheiben
montierten Mahlplatten sind aus Sharloy (einem Nickel gehärtetem Stahl).
Die Mahlplatten waren nicht mit Stauschienen ausgestattet. Die Oberflächen der
einzelnen Mahlplatten, die in diesem Homogenisator verwendet wurden
bestanden aus abwechselnd Erhöhungen
und Vertiefungen, die so ausgerichtet sind, dass die Erhöhungen von
benachbarten Mahlplatten (eine fest und die andere drehend) die
sich relativ zueinander bewegen, wobei ein Schervorgang eintritt,
wenn die Erhöhungen
der sich gegenüberstehenden
Scheibe aneinander vorbeibewegen. Die drei kritischen Abmessungen
dieser Erhöhungen
und Vertiefungen sind die Breite der Erhöhung, die Kanalbreite und die
Kanaltiefe. Für
diese spezielle Einheit betrugen sie 3,2 mm (2/16 Zoll), 6,4 mm
(4/16 Zoll) und 4,8 mm (3/16 Zoll) (ausgedrückt als 2, 4, 3 durch die Black
Clawson's Übereinkunft).
Die
Mahlplatten auf den drehenden Scheiben bewegen sich mit 713 Umdrehungen
pro Minute. Bezogen auf den äusseren
Rand der Mahlscheibe, der 0,33 m und 6,4 mm (13 und 1/4 Zoll) von
der Antriebswelle entfernt ist, entspricht dies einer peripheren
Geschwindigkeit von etwa 1493,5 m (4.900 Fuß) pro Minute. Die Pulpe wurde
kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von etwa 946,3 1 (250 Gallonen)
pro Minute durch das Mahlwerk und zurück zum Zwischentank geführt. Der
Durchtritt der Cellulosesuspension durch das Mahlwerk erfolgt so,
dass ein gleicher Fluss auf jeder Seite der drehenden Scheibe vorliegt.
Eine
Scheibe des Mahlwerks ist fixiert, während die andere gleitet. Dies
erlaubt die Einstellung der Entfernung zwischen benachbarten Scheiben.
In der vollständig
offenen Position (typisch für
den Start oder die Beendigung) sind die Scheiben 0,025 m und 0,019
m (1 und 3/4 Zoll) entfernt voneinander. Während des Mahlens, sind die
Scheiben in der Größenordnung
von 2,54·10–5 m
bis 5,08 m·10–5 m
(100 bis 2000stel Zoll) voneinander entfernt. Anstatt den Spalt
zwischen den Scheiben auf einen bestimmten Abstand einzustellen,
benutzt man die Stromstärke
für den
Antriebsmotor, um einen bestimmten Abstand zu erreichen. Das Verfahren bei
Start besteht darin, die Scheiben von der vollständig geöffneten Position zu einer engeren
Position zu bewegen, wobei die Amperezahl bis zu 310 A ansteigt.
An diesem Punkt wird die maximale Kraft vom Motor geleistet. Ist
dieser Punkt einmal erreicht, wird der Gegendruck auf das Mahlwerk
durch Zudrehen des Ventils der Leitung, die die Pulpe aus dem Mahlwerk
zum Zwischentank zurückführt, erhöht. Der
Gegendruck wird normalerweise von einem Ausgangswert von etwa 0,97
bar über
Atmosphärendruck
(14 psig) auf einen Endwert von etwa 2,41 bar über Atmosphärendruck (35 psig) erhöht. Wenn
der Gegendruck ohne Einstellung der gleitenden Scheibenpositionierung
erfolgt, sinkt die Amperezahl durch den Motor auf etwa 260 A. Mit
einem Gegendruck bei 2,41 bar über
Atmosphärendruck
(35 psig) wird die gleitende Scheibe eingestellt, um die Scheiben
näher zueinander
zu bringen, bis die erwünschten
310 A durch den Motor erhalten werden. Ist dies erfolgt, ist keine weitere
Einstellung der gleitenden Scheibe, bis die Motoramperezahl wesentlich
absinkt, erforderlich. Dies kann eintreten, wenn das Mahlen fortschreitet,
wenn bestimmte Eigenschaften der Pulpe sich signifikant verändern. In
diesem Fall wird die gleitende Scheibe bewegt, um den Spalt zwischen
den Scheiben zu verringern, bis entweder die erwünschte Amperezahl wiederum
erreicht wird oder die Scheiben zu kreischen beginnen. Dieses Kreischen
sollte vermieden werden, da es einen übermäßigen Scheibenabrieb anzeigt
und zu höheren Mahlplattenersatzkosten
führt.
Durch
einen Gate-Type-Mixer im Zwischentank wurde der Inhalt kontinuierlich
während
des Mahlens vermischt. Ein Gegendruck von 2,34 bar über Atmosphärendruck
(34 Pfund pro Quadratzoll) wurde in der Rückleitung vom Mahlwerkausgang
zum Zwischentank aufrechterhalten. Der Rückführvorgang wird für etwa 6
h fortgeführt,
während
der Mahlgrad im Sinne des kanadischen Standards der Pulpe von einem
Anfangswert von 190 zu einem „falschen" Wert von 780 ml
verändert
wurde.
Während des
Mahlens stieg die Temperatur der Pulpe von einem Ausgangswert von
17,8°C (64)
zu einem Endwert von 87,8°C
(190°F).
Die Amperezahl durch den 250 PS-Motor des Mahlwerks variiert von
anfänglich
310 zu 290 A bei Beendigung des Vermahlens.
Die
Energiezufuhr des Mahlwerks betrug etwa 2,64 kWh/kg (1,2 kWh (pro
Pfund)) verarbeiteter gemahlener Faser (Trockengewichtbasis).
Die
folgenden Beispiele erläutern
die erfindungsgemäße Lehre.
BEISPIEL 2
Weizencellulose
mit einem typisch hohen Gehalt an Alpha-Cellulose wurde bis zu einem
Mahlgrad von 790 gemäß dem kanadischen
Standard analog des im obigen Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens
homogenisiert, mit dem Dispergiermittel vermischt und in einem Buflovak-Doppeltrommeltrockner
der 2,32 m2 (25 Fuß2)
Größe (zwei
Trommeln mit je 0,61 m (24 Zoll) Durchmesser und einer Weite von
0,61 m (24 Zoll) getrocknet. Das so erhaltene Gemisch bestand aus
56 Gewichtsteilen mikroklassifizierter Cellulose (MDC), 39 Gew.-%
Maltodextrin (Gew./Gew.), (Lodex®-15),
4 Gew.-% Carboxymethylcellulose vom Typ HP-5HS (Gew./Gew.) sowie 1 Gew.-% Sojalecithin
(Gew./Gew.). Anschließend
wurde diese Mischung in Form einer wässrigen Dispersion mit einem
Gehalt an 4,55 Gew.-% Gesamtfeststoffen in einer Zufuhrmenge von
187,8 kg (414 Pfund) pro Stunde in einen Doppeltrommeltrockner geleitet,
um so ein getrocknetes Produkt aus 93,3% Feststoffen zu gewinnen.
Die Trommeln bewegten sich bei einer Drehzahl von 5 Umdrehungen
pro Minute und wurden durch Dampf unter einem Druck von 89 bar über Atmosphärendruck
(100 psig) beheizt. Die Spaltweite wurde bei beiden Trommeln auf
2,54·10–4 m
(0,01 Zoll) eingestellt. Das getrocknete Produkt wurde in Form eines
dünnen,
zusammenhängenden
Filmes aus den Trommeln entfernt und im Anschluss daran zu flockigen
und pulvrigen Produkten vermahlen.
Sowohl
die flockigen als auch die gepulverten Produkte wurden in Wasser
redispergiert, wobei die Viskosität im Vergleich zu der ursprünglichen
mikroklassifizierten Cellulose (MDC) gemessen wurde. Die Viskosität wurde
in jedem Falle jeweils in einer wässrigen Dispersion mit 1,5
Gew.-% (Gew./Gew.) MDC-Feststoffen gemessen und die zusätzlichen
Konzentrationen, wie oben bemerkt, in einem Brookfield®-Viskosimeter
(Gerät DV-III)
mit einem kleinen Zellenadapter unter Verwendung der Spindel SC4-16 bei
jener Scherkraft festgehalten, welche sich aus dem Bereich der Umdrehungsgeschwindigkeiten
zwischen 5 und 100 Umdrehungen pro Minute (Upm) ergaben. Die Viskosität der wässrigen
MDC-Dispersion mit dem hinzugefügten
Dispergiermittel betrug vor dem Trocknungsvorgang 5,520 mPa·s (cP)
bei 5 Upm. Die Viskosität
der getrockneten flockigen und pulvrigen Produkten bei 5 Upm betrug
jeweils nach dem Trocknungsprozess und der wässrigen Redispergierung bei
dem nämlichen
Feststoffgehalt in Form der ursprünglichen Dispersion mit einem
Hamilton Beach Scovill®-Mischgerät (Modell
936 ZSA) bei 2 min (mittlere Geschwindigkeit) jeweils 3,410 bzw.
3,095 mPa·s
(cP). Die vollständigen
Viskositäts/Scherkraft-Profile
sind in der Tabelle 1 für
diese drei wässrigen
Dispersionen dargestellt. Die Viskosität des gleichen pulvrigen Produktes
nach der Redispergierung unter hoher Scherkraft für eine Zeitdauer
von 3 min bei 10,000 Upm mit einem Omni-Digi-System-Rotostatormischgerät (20 mm
Generator) betrug 3,265 Centipoise (3265 mPa·s).
Tabelle
1 Viskosität der wässrigen
MDC-Dispersionen in Centipoise (mPa·s) (1,5 Gew.-%) (Gew./Gew.)
BEISPIEL 3
Nicht
durchgetrocknete fasrige mikroklassifizierte Cellulose (MDC) aus
Weizen, welche zu einem Scheinwert des kanadischen Standard-Mahlgrades
von 780 gemäß der im
obigen Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise homogenisiert war,
wurde mit einem Dispergiermittel vermischt und auf einem zwei Fuß breiten
und 100 Fuß langen
Bandtrocknungsgerät
getrocknet. Das so erhältliche
Gemisch bestand aus Trockenbasis aus 64,1 Gew.-% MDC (Gew./Gew.),
32,0 Gew.-% Maltodextrin (Gew./Gew.), 3,2 Gew.-% Carboxymethylcellulose
(CMC, Gew./Gew.) sowie 0,7 Gew.-% Lecithin (Gew./Gew.). Die Einspeisungsmasse
mit einem Gehalt an 7,25% Gesamtfeststoff in wässriger Dispersion wurde in
einer Menge von 416 kg (917 Pfund) pro Stunde dem Trocknungsgerät zugeführt und
zu einem Feststoffgehalt von 90% Feststoffen getrocknet. Die Bandgeschwindigkeit
betrug 18,0 m (59 Fuß)
pro Minute und die Spaltweite an der Führung der Feststellvorrichtung
wurde auf 6,604·10–4 m
(0,026 Zoll) einreguliert. Es wurden 18,3 m (60 Fuß) Bandlänge durch
Dampf unter 3,45 bar über
Atmosphärendruck
(50 psig) aufgeheizt. Das getrocknete Produkt wurde als dünner, zusammenhängender
Film entnommen und im Anschluss daran zu flockigen und pulvrigen
Produkten vermahlen.
Die
filmartigen, flockigen und gepulverten Produkte wurden in Wasser
redispergiert, wonach die Viskosität im Vergleich zu der ursprünglichen
mikroklassifizierten Cellulose (MDC) gemäß Beispiel 1 gemessen wurde.
Die Viskosität
der ursprünglichen
mikroklassifizierten Cellulose betrug 5,640 mPa·s (cP) bei 5 Upm. Die Viskosität der filmförmigen,
flockigen und gepulverten Produkte bei 5 Upm nach der Redispergierung
mit einem Hamilton-Beach®-Mischgerät betrug jeweils 4,320, 3,775
sowie 3,410 mPa·s
(cP). Die Viskosität/Scherkraftprofile
sind in der Tabelle 2 in Bezug auf diese vier wässrigen Dispersionen dargestellt.
Tabelle
2 Viskosität der wässrigen
MDC-Dispersionen in mPA·s
(cP) (1,5 Gew.-%) (Gew./Gew.)
Obschon
bestimmte bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen beschrieben
und anhand der obigen Beispiele erläutert wurden, besteht nicht
die Absicht, die Erfindung auf diese Ausgestaltungen zu beschränken. Vielmehr
lassen sich demgegenüber
verschiedene Abwandlungen vornehmen, ohne vom Umfang und der Intention
der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie sie in den folgenden
Ansprüchen
definiert ist.
